Nhiệt toả ra từ những thiết bị xe hơi sẽ có thể tái tạo lại thành điện
Hầu hết các hoạt động của con người đều liên quan tới việc tiêu thụ năng lượng: từ việc đi lại, sản xuất tới những nhu cầu tối thiểu của cuộc sống. Trong khi những hoạt động đó diễn ra, năng lượng được chuyển hoá: từ điện năng thành cơ năng, từ năng lượng hóa thạch thành nhiệt hoặc chuyển động... Cho dù chúng có diễn ra theo cách nào thì chắc chắn một điều là hiệu suất sử dụng năng lượng không bao giờ đạt 100%, luôn luôn có năng lượng bị hao phí. Một trong những nguồn hao phí điển hình nhất là thất thoát nhiệt vô ích. Không có gì ngạc nhiên khi một thống kê chỉ ra 2/3 năng lượng mà loài người sử dụng bị mất trong quá trình tỏa nhiệt. Vì thế làm sao để tận dụng nguồn năng lượng dồi dào đó là một trong những mục tiêu của các nhà nghiên cứu vật liệu nhiệt điện. Kết quả mới đây của nhóm chuyên gia tại Đại học vùng Tây Bắc bang Illinois (Hoa Kỳ) đã tạo ra kỷ lục về hiệu suất chuyển hoá nhiệt năng trên một loại vật liệu mới. Nhờ đó, cơ hội để chúng ta sử dụng năng lượng nhiệt tái tạo một cách rộng rãi đã gần hơn bao giờ hết.
Hiệu ứng nhiệt điện và tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trước khi đi vào chi tiết, chúng ta hãy xem xét một hiện tượng vật lý xảy ra trên các loại vật liệu được đề cập: hiệu ứng nhiệt điện. Đây là hiệu ứng xảy ra khi một hiệu điện thế xuất hiện giữa hai mặt của tấm vật liệu được đặt ở hai nhiệt độ khác nhau, hoặc ngược lại, khi áp một điện thế lên hai phía khác nhau của vật liệu, hai bản mặt của chúng sẽ có nhiệt độ không giống nhau. Chúng ta đã làm quen với hiệu ứng áp điện trước đây nên chắc các bạn không khó hình dung trong trường hợp này.
Với vật liệu nhiệt điện, tiêu chuẩn quan trọng nhất để đánh giá khả năng ứng dụng của nó là chỉ số ZT. Chỉ số này được tính = (độ dẫn điện x năng lượng nhiệt tiếp xúc)/độ dẫn nhiệt của vật liệu. Với các chất có hệ số ZT=1, người ta đã có thể triển khai nó trong một số thiết bị khoa học đặc biệt, ví dụ như trang bị cho bộ phận tạo năng lượng trên tàu thăm dò Curiosity của NASA vừa đổ bộ lên sao Hỏa. Hiện hãng xe danh tiếng của Đức là BMW cũng đang phát triển các vật liệu tương tự để thu nguồn nhiệt toả ra từ các dòng ôtô dân dụng. Tuy nhiên, hệ số ZT đạt được vẫn còn thấp để có thể phổ biến các vật liệu nhiệt điện trong đời sống và công nghiệp. Một vấn đề nữa với các vật liệu nhiệt nhiệt là hầu hết dải nhiệt độ hoạt động của chúng thường nằm bên ngoài ngưỡng nhiệt độ phổ biến mà loài người tạo ra.
Kết quả nghiên cứu tại Đại học Tây Bắc bang Illinois
Một trong những nguyên nhân khiến hệ số ZT thấp là do trong quá trình chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng, electron sẽ tán xạ với các nguyên tử/phân tử tạo nên vật liệu và gây thất thoát năng lượng. Vào năm 2011, nhóm nghiên cứu tại Đại học Tây Bắc Illinois đã đạt được thành tựu quan trọng khi họ sử dụng công nghệ nano để tạo ra vật liệu Chì-Telluride. Nhờ các tinh thể pha tạp được lấy từ muối Strontium Telluride, hiện tượng tán xạ của electron đã giảm đi đáng kể, đẩy hệ số ZT lên tới 1,7. Hơn nữa dải nhiệt độ hoạt động của vật liệu vào khoảng 800 độ Kelvin (527 độ C), một ngưỡng lý tưởng cho ứng dụng thực tế khi hầu hết các thiết bị tiềm năng đều toả nhiệt trong khoảng 400-700 độ C.
Dựa trên những thành tựu đó, các chuyên gia đã tiếp tục phát triển những cải tiến quan trọng khác. Vật liệu mà họ vừa tạo ra đã có hệ số ZT lên tới 2,2, gấp hơn hai lần so với mẫu trên tàu Curiosity và tăng 30% so với kết quả trước đây. Với chỉ số đó, người ta tính toán được hiệu suất chuyển hóa nhiệt thành điện đã đạt từ 15% tới 20%, một thành tựu quá ấn tượng trong lĩnh vực tái tạo năng lượng. Nhờ vậy, vật liệu mới đã đủ khả năng triển khai sản xuất rộng rãi với giá thành cạnh tranh so với các phương pháp thu năng lượng khác. Những ứng dụng đầu tiên phải kể đến là phương tiện đi lại, các nhà máy nhiệt điện , luyện kim, hoá chất...
Phát biểu về thành công của mình, giáo sư Mercouri G. Kanatzidis-trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: người ta nói rất nhiều về năng lượng tái tạo, tuy nhiên làm thế nào đề thực hiện nó? Có rất nhiều cách khác nhau đề giải quyết vấn đề. Vật liệu nhiện điện của chúng tôi không phải phương án duy nhất, nhưng nó là nghiệm số đẹp cho một phương trình.
Dự kiến trong tương lai
Chưa hoàn toàn hài lòng với kết quả mà thế giới phải ngưỡng mộ, nhóm chuyên gia cho biết sẽ tiếp tục phát triển vật liệu của họ để nâng chỉ số ZT lên mức 2,5-3 (giới hạn lý thuyết đã chỉ ra). Điều này là hoàn toàn có thể bởi vì bên cạnh tán xạ của electron, còn một số hiện tượng khác gây suy giảm hiệu suất chuyển hóa như tương tác giữa dao động mạng trong tinh thể với dao động do tác dụng nhiệt. Về mặt lý thuyết, các điều chỉnh hợp lý có thể giảm đáng kể hiệu ứng đó.
Được biết, chi tiết về loại vật liệu mới đã được công bố trên tạp chí hàng đầu thế giới: Nature. Các bạn quan tâm và có kiến thức chuyên sâu có thể download bài báo ở đây để tìm hiểu rõ hơn.
